Masse critique

« 1 / 2 26 janvier 1966 Série B-15 Fiche N• 958 Masse critique 1.

Alors que la production d'énergie par des combustibles chimiques est possible à partir de quantités de matière aussi faibles que l'on veut (une allumette brûle aussi bien qu'une forêt), le combustible nucléaire exige une quantité minimale pour que la réaction de fission, une fois amorcée, puisse s'entretenir d'elle-même.

Dans une bombe atomique, dans un réacteur nucléaire, il faut qu'au départ une masse suffi­ sante d'uranium ou de plutonium (dite masse critique) soit rassemblée.

Sinon, aucune explosion, aucune divergence n'est possible.

2.

L'importante notion de masse critique avait été prévue théoriquement dès 1939 par Francis Perrin et calculée en 1940 par Chadwick pour l'uranium 235; toute sphère de ce métal de masse inférieure à une vingtaine de kilogrammes est inoffensive; toute sphère de masse supérieure devient instantanément le siège d'une explosion terri­ fiante.

La valeur de la masse critique dépend de la nature chimique du combustible nucléaire (métal pur ou composé), de sa forme géométrique, de la présence d'impu­ retés, etc.

3.

Le mécanisme de la fission nucléaire explique ce phénomène à priori surprenant.

Sous le choc d'un neutron, un noyau d'uranium 235 ou de plutonium 239 se scinde en deux fragments, en libérant une grande quantité d'énergie et deux autres neutrons.

Ceux-ci provoquent à leur tour la fission de deux atomes voisins, et ainsi de suite (réaction en chaine).

Vers la quatre-vingtième génération, il y aura assez de neutrons secondaires pour provoquer la fission du nombre immense d'atomes contenus dans quelques kilogrammes d'U 235.

Cependant, si cette multiplication de neutrons s'applique à une masse plus petite, beaucoup de neutrons, atteignant la surface du lingot de combustible, s'échappent à l'extérieur et sont perdus pour le développement de la fission.

Plus le lingot est grand, plus sa surface est petite par rapport à son volume.

Ainsi, à partir d'une certaine taille, il y a davantage de neutrons formés dans la masse que de neutrons perdus à la surface: en deçà, rien; au-delà, la divergence.

4.

Dans la matière fissile pure (U 235, Pu 239), la réaction en chaine se développe en un temps extrêmement court: environ 1/10 000 000 de seconde.

Aussi la possibilité de l'utiliser pour des explosifs a-t-elle été imaginée très vite.

Une bombe atomique est constituée par deux lingots sous-critiques de matière fissile dont la réunion (par la détonation d'un explosif chimique) donne une masse surcrltique.

Son efficacité dépend de la durée d'accolement des deux masses que l'explosion tend à séparer aussitôt réunies.

La technologie des explosifs nucléaires consiste surtout à obtenir des temps de contact aussi longs que possible (au moins 1/1 000 000 de seconde).

5.

De même, la divergence d'un réacteur nucléaire n'est possible qu'à partir du moment où un certain nombre de barres de combustible sont empilées.

La masse critique est atteinte lorsque le facteur de reproduction des neutrons est supérieur à un.

Pour éviter qu'à ce moment le réacteur ne s'emballe, des barres d'une substance absorbant les neutrons (cadmium) sont enfoncées graduelle­ ment dans le cœur de la pile pour que le facteur de reproduction se maintienne égal à un.

A la différence de celle de la bombe, la masse critique d'un réacteur est de plusieurs tonnes d'uranium naturel, car I'U 235 y est dilué dans la proportion de 7 %o dans I'U 238 non fissile.

Grâce à un ralentisseur de neutrons, le réacteur est contrôlable (au contraire de la bombe), car la réaction en chaine prend plusieurs secondes pour démarrer au lieu d'un dix millionième. 2 / 2. »